CN112730505B - 用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱 - Google Patents

Abstract

一种用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，包括真空腔体，所述的真空腔体内沿径向同轴依次设有低温流体金属进液管、透明节流试件管、金属波纹软管和低温流体金属出液管，所述的透明节流试件管呈圆筒形，沿轴向开有不同直径的通孔，作为低温流体流动通道。本发明利用低温下材料热膨胀系数特性进行相互配合实现；利用金属波纹软管消除节流部件低温下收缩而产生应力集中的问题；利用真空、绝热支架、热沉、多层绝热等多种方式保证装置的良好绝热性能。结构简单，易于拆卸和更换，绝热性能好，密封性好，适合和于低温流体的节流、空化等现象研究。

Description

用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱

技术领域

本发明涉及低温节流制冷技术领域，尤其涉及一种用于低温流体节流特性研究和定量测量的可拆卸、自密封可视化装置。

背景技术

节流是指流动的流体通过突然缩小的截面而压力降低的现象。空化是液体内压强下降到当地热力学状态下饱和蒸汽压下而发生汽化的现象。节流元件诸如孔板，文丘里管，膨胀阀，喷嘴等，有很多工程应用场景。而空化现象也易伴随节流过程发生。

低温流体，如液氢、液氧、液氦、液化天然气等，在航空航天技术、超导冷却、空分设备、气体液化、清洁能源等领域有着广泛的应用。目前，低温流体安全高效的生产、储运、加注及利用的过程中会涉及涡轮机、低温潜液泵、节流元件和低温阀门等设备。这些设备与低温流体节流过程及空化现象联系紧密：流量、气相质量分数、制冷能力等是节流元件设计、应用的重要参数；低温潜液泵、涡轮机中可能产生的空化现象是流动过程中的低效原因和安全隐患之一。相较于常温流体，低温流体具有气液密度比高，导热系数低，汽化潜热小，饱和蒸汽压对温度变化敏感等独特的物性。这或许使得低温流体节流、空化现机理更加复杂。而常温流体形成的计算公式或许将不能准确描述及预测低温流体节流特性及空化现象。因此，低温流体节流特性及空化现象的深入研究，对低温阀门、低温泵、涡轮机、节流器的优化设计、以及低温流体生产、运输结合利用系统安全性的提升等，有着很重要的影响。

对低温流体节流、空化现象进行研究和定量测量的装置首先要求具备良好的绝热性，以便实现低温流动实验的基本要求；节流试件需方便拆卸更换，从可针对不同种类、不同尺寸的节流试件和低温节流特性开展实验；节流试件必须透明，以便对现象进行图像采集和分析。经过现有技术的检索发现，公布号为CN106226029A的专利公开了一个可视化节流装置，用于观察不同节流元件节流过程及检测节流元件工作状态。该装置主要包括：底座、上下玻璃管、连接件、透明耐温耐压玻璃管、塑料件和加热玻璃罩。装置整体呈竖直结构，并且仅适用于常温及高温环境的节流实验，无法对低温流体节流、空化进行可视化观察和研究。公布号为CN105299439A的专利公开了一个可拆卸低温流体可视化视窗、装置和容器，主要包括外管、内管、透明板、真空夹层板和摄影设备。其装置主要用于低温流体沸腾现象的观察和研究，无法实现低温流体的流动，更无法对进出口的流体温度、压力(差)进行测量，也就无法对低温流体节流、空化现象进行可视化观察和研究。公布号CN210242107U的专利公开了一种低温流体节流制冷装置，主要包括膨胀阀、限位机构、导管、连接套、连接管、橡胶垫圈。此装置主要目的在于利用低温流体节流进行制冷，无法进行可视化观察；同时节流装置单一，无法更换节流元件，无法开展不同节流元件低温节流特性的研究。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种用低温流体节流和定量测量的可视化实验舱。本发明的主要特色之处在于：利用低温下不同材料冷收缩量的差异进行配合，从而解决经常拆装更换的节流试件与金属进液、出液管路的密封问题；金属波纹软管消除节流部件低温下收缩而产生应力集中的问题；透明的节流试件便于观察，节流试件与两端管路采用法兰连接易于拆换；利用真空、绝热支架、热沉、多层绝热等多种方式保证装置的良好绝热性能。本发明装置拆卸和更换，绝热性能好，密封性好，适合和于低温流体的节流、空化等现象的研究。在低温热力科学研究、空气分离、液化天然气、氢能及航空航天领域具有重要作用。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特点在于，包括真空腔体，该真空腔体呈扁圆盘形，周壁上轴对称地设有进液真空绝热管接口和排液真空绝热管接口，还分布有用于内部传感器件引线穿舱的接口、用于抽真空的接口，该真空腔体的上底面设有可拆卸的卡爪连接型盲板法兰，该卡爪连接型盲板法兰的端面设有光学视窗，该真空腔体的下底面设有螺栓连接型盲板法兰；上底面卡爪连接型盲板法兰可开启，从而实现载样、更换内部节流试件的操作。

所述的真空腔体内沿径向同轴依次设有低温流体金属进液管、透明节流试件管、金属波纹软管和低温流体金属出液管，所述的透明节流试件管呈圆筒形，沿轴向开有不同直径的通孔，作为低温流体流动通道；所述的金属波纹软管用于补偿温度热变形及实现方便装配。

所述的进液真空绝热管接口和排液真空绝热管接口均为双层管壁中通式结构，所述的低温流体金属进液管的进液端伸入该进液真空绝热管接口，所述的低温流体金属出液管的出液端伸入该排液真空绝热管接口。

所述的透明节流试件管材质为耐低温型有机玻璃，自来流方向依次分为进液段、节流段和出液段，所述的低温流体金属进液管路的芯管插入进液段内一定深度并在内端面处设置四氟垫圈，所述的低温流体金属出液管的芯管插入出液段内一定深度并在内端面处设置四氟垫圈，实现第一重密封。由于所述透明节流试件的热膨胀系数大于低温流体金属进液管和出液管的热膨胀系数，利用低温下的冷收缩实现侧面的紧密配合，这是第二重密封。所述的进液段通过CF法兰与低温流体金属进液管的管芯连接，该CF法兰与进液段中垫入环形四氟垫圈，这是第三重密封。在所述的进液段和出液段还设有嵌入式测温孔与压力测量引压孔。

所述的低温流体金属进液管、透明节流试件管、金属波纹软管和低温流体金属出液管采用套设连接，各管路连接处外部设有法兰，用于固定连接，内部端面采用四氟垫圈，实现紧密接触，保证良好的气密性。

所述的卡爪连接型盲板法兰和螺栓连接型盲板法兰与所述的真空腔体采用橡胶o型垫圈密封。同时上下底面法兰上均设有石英玻璃光学视窗。

所述的用于内部传感器件引线穿舱的接口上安装有KF盲板的引线穿舱件，该引线穿舱件为在KF法兰盲板上开口，引线穿入其中的气密航空接插件。

作为优选，结合实验温度和压力的要求：进液管路和出液管路的材料为316不锈钢；节流试件的材料为透光率高、耐低温、耐压的有机玻璃。节流试件提前置于恒温箱中烘烤，以消除其内应力的不良影响。

进一步地，低温流体金属进液管和透明节流试件进液段间、低温流体金属出液管和透明节流试件出液段间垫入环形四氟垫圈，作为第二重密封措施。以CF法兰及带有弹簧垫片的螺栓作为低温流体金属进液管和出液管与透明节流试件的连接。CF法兰与透明节流试件间垫入环形四氟垫圈，作为第三重密封措施。通过分子泵抽真空，该实验舱可达到10^{- 3}pa真空度。

在透明节流试件进液段和出液段的周壁沿轴向开螺纹孔，用于连接检测低温流体温度和压力的引线。引线穿入小金属管，再将小金属管穿入开孔的螺栓，螺栓处旋入螺孔。引线与小金属管，及小金属管与螺栓间通过低温胶固定。

内部管路中所述的金属波纹管位于透明节流试件的下游，其轴向可伸缩，用于补偿沿轴线方向的温度热变形，并方便装配。金属波纹管同透明节流试件出液端，以及金属波纹管同金属出液管，亦通过CF法兰和带有弹簧垫片的螺栓连接。

所述的绝热措施包括绝热支架、热沉、多层绝热材料及铜质编制网。

进一步，还包括绝热支架，位于所述的所述的透明节流试件管的两端、金属波纹软管的两端以及热沉处，该绝热支架整体材料为导热系数低的环氧树脂，采用接触面积小的中空结构。减少接触面积，降低总传热系数。

进一步，还包括热沉，该热沉与所述的温流体金属出液管搭接，位于低温流体金属出液管路上方，及金属波纹软管两侧。其整体以由紫铜制成，呈正方体结构，侧面通过铜质编制，侧面打孔。传感器引线和引压管等引线位于金属波纹软管两侧的热沉内，保持引线和热沉紧密接触。以铜制编制网将低温流体金属出液管路处的热沉与金属波纹软管两侧的热沉搭接起来，引入低温流体金属出液管路上的冷量来消除外界沿引线导入实验舱的热量。

所述的多层绝热材料包裹于靠近节流试件的温度、压力引线外侧，减少传感器引线辐射热量对节流过程的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1.本发明通过低温下不同材料热胀系数的差异实现自密封、并通过垫圈等多重密封措施，使装置具有良好的气密性能，低温流体能无漏、安全的进行节流实验。

2.本发明使用透明的节流试件，真空腔体上的光学视窗，可对节流过程的流动状态及空化气泡产生、生长、泯灭进行实时观察。

3.本发明采用的真空腔可保持较高的真空度，并利用热沉、绝热支架及多层绝热材料等多重绝热手段，减小漏热，保证进液为过冷态，降低低温流体蒸发而造成的损耗，为低温流体节流实验进行提供良好的温度条件。

4.本发明设计了测温测压口，应用本发明的测量方法能够直接测量当地低温流体实时的温度压力状态，且对流场产生干扰微小，利于实现对低温流体节流特性的参数研究。

5.本发明具有良好的可拓展性，具体表现在两个方面：第一，采用CF法兰连接进、出液管和节流试件，拆装、更换方便，可进行不同尺寸不同类型节流试件的低温节流实验，利于不同节流试件低温节流特性的分析和研究。第二，本发明采用一系列绝热、气密措施获得较广的适用范围，方便与不同供液系统连接，利于不同种类流体低温节流特性的分析和研究。

附图说明

图1为本发明用于低温液体节流和定量测量的可视化实验舱的整体结构示意图。

图2为本发明用于低温液体节流和定量测量的可视化实验舱的内部结构图。

图3为本发明用于低温液体节流和定量测量的可视化实验舱的流体流动管路的整体结构图。

图4为本发明用于低温液体节流和定量测量的可视化实验舱的流体流动管路剖面图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的实施例，对发明进行更清晰详细的说明。本发明所述方位词并不限定本发明。

如图1所示，一种用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，包括真空腔体1、进液真空绝热管接口2、排液真空绝热管接口3、引线穿舱件4、内部管路5、透明节流试件管6、绝热支架7和热沉8，主要用于观察研究不同低温流体在不同节流试件中的节流特性。真空腔体1呈圆盘型，上底面设有卡爪连接型盲板法兰9，法兰端面设有内凹型石英玻璃光学视窗12；下底面设有螺栓连接型盲板法兰9，法兰端面设有平面型石英玻璃光学视窗12。两个光学视窗同轴，分布在上下底面对称位置上。上下底面法兰与腔体侧壁间垫入橡胶o型垫圈11实现密封。上底面卡爪连接型盲板法兰可开启，从而实现载样、更换内部节流试件的操作。

真空腔体1周壁沿径向对称设有低温流体进液真空绝热管接口2和排液真空绝热管接口3。真空绝热管接口呈圆筒形，双层管壁结构。外层管壁较内层管壁长，外层管壁端面设有KF法兰用于固定和连接；真空绝热管可插入真空绝热接口一定深度，至内层壁面端面，两者通过四氟垫圈13紧密接触。

真空腔体的周壁还设有三种不同尺寸的KF法兰接口，分别连接压力引压管穿舱接口14、电信号线缆穿舱接口15和抽真空接口16。

引线穿舱件4是用于实现腔体内外线路连通的气密航空插件。其由开孔的KF法兰盲板为主体，引线穿过开孔从腔体内伸出与外界仪器连接，孔与引线间涂抹低温胶以保证良好的气密性。

如图3所示，腔体内布置有内部管5、透明节流试件管6、绝热支架7及热沉8。以流体流动方向顺序，真空腔内沿径向依次为有低温流体金属进液管20、绝热支架7、透明节流试件6、绝热支架7、金属波纹软管25、支架2及低温流体金属出液管21。各管路同金属真空绝热进液接口、金属真空绝热排液接口处于同轴位置。

以单孔形式节流试件进行举例说明，如图2和4所示。透明节流试件管6呈圆筒形，以透光率高、耐压、耐低温的有机玻璃浇铸成型。透明节流试件管6内部沿轴向开不同尺寸的通孔，作为低温流体流动通道。其按功能可分为：进液段17、节流段18、出液段19。透明节流试件节流段是低温流体进行节流过程的场合。在保证节流试件其他尺寸适配的情况下，可对节流段形式、喉部尺寸进行任意设计，满足研究不同类型和尺寸的节流试件的节流特性的需求。进液段17和出液段19的主要作用是固定连接，其孔径根据低温流体进液管和出液管管径确定。低温流体金属进液管20和低温流体出液管路21的管芯分别插入透明节流试件进液段17和出液段19一定深度，利用低温下两种材料不同的冷缩量实现侧面自动抱紧。同时，低温流体金属进液管和透明节流试件进液段间、金属出液管和透明节流试件出液段间垫入环形四氟垫圈13。以CF法兰22及带有弹簧垫片的螺栓作为低温流体金属进液管和出液管与透明节流试件的连接。CF法兰与透明节流试件间垫入环形四氟垫圈13。多重气密措施共同保证腔体内良好的真空水平。

进液段17和出液段19周壁沿轴向开螺纹孔23、24，用于连接监测低温流体温度、压力的引线。引线穿入小金属管，小金属管穿入开孔的螺栓，螺栓旋入螺纹孔。引线、小金属管和螺栓间通过低温胶固定。

金属波纹管25位于透明节流试件的下游，其轴向可以伸缩，可以补偿低温下材料轴向的热变形，并起到方便装配的作用。金属波纹管两端也通过CF法兰22与节流试件出液端及金属出液管连接。

处于室温的引线通过引线穿舱进入低温真空腔体，会将很大的热量导入腔体。漏热易使低温流体汽化，扰乱流场，并造成传感器测量误差。因此采用导热系数高的紫铜热沉8消除这种干扰。热沉呈正方体状，侧面开孔。腔体内共设置三处热沉，分别位于金属波纹管25两侧，及低温流体出液管路21上。传感器引线通过缠绕、插入、螺丝固定等方式与金属波纹管两侧的热沉紧密接触。通过铜质编制网搭接金属波纹管两侧热沉和出液段管路处热沉。以此方式，引入出液管路的冷量消除传感器引线导入的热量。同时将靠近节流试件的引线以多层绝热材料进行包裹，减少传感器引线热辐射对节流过程的影响。在节流试件两端，金属波纹管两端以及热沉处，设置绝热支架，避免管路重量过重及管路过长造成的扭曲。支架采用中空式结构，以环氧树脂制成，目的是减小导热系数、接触面积、降低导热量。

该装置的工作过程为：

利用抽真空接口及分子泵对腔体进行抽真空操作。根据设计，真空腔可维持在10^{- 3}Pa水平的真空度。低温流体由进液管流入位于真空腔内的透明节流试件，并完成节流过程，伴随空化现象发生，最后通过出液管流出真空腔体。过程中，可通过腔体上底面的光学视窗进行观察。由于腔体处于很好的真空状态，不会在视窗表面产生水汽，可获得清晰的观察效果。

若要进行节流试件的更换，需待装置复温、复压后，打开真空腔体上底面开舱法兰，取下节流试件两端的CF法兰，即可进行更换操作。

经试验表明，针对经常拆装更换的透明节流试件与金属进液、出液管路的密封问题，利用低温下材料热膨胀系数特性进行相互配合实现；利用金属波纹软管消除节流部件低温下收缩而产生应力集中的问题；利用真空、绝热支架、热沉、多层绝热等多种方式保证装置的良好绝热性能。本发明装置结构简单，易于拆卸和更换，绝热性能好，密封性好，适合和于低温流体的节流、空化等现象研究。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多改变。因此凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，包括真空腔体（1），该真空腔体（1）呈扁圆盘形，周壁上轴对称地设有进液真空绝热管接口（2）和排液真空绝热管接口（3），还分布有用于内部传感器件引线穿舱的接口一（14）和接口二（15）、用于抽真空的接口（16），该真空腔体（1）的上底面设有可拆卸的卡爪连接型盲板法兰（9），该卡爪连接型盲板法兰（9）的端面设有光学视窗（12），该真空腔体（1）的下底面设有螺栓连接型盲板法兰（10）；

所述的真空腔体（1）内沿径向同轴依次设有低温流体金属进液管（20）、透明节流试件管（6）、金属波纹软管（25）和低温流体金属出液管（21），所述的透明节流试件管（6）呈圆筒形，沿轴向开有不同直径的通孔，作为低温流体流动通道；

所述的进液真空绝热管接口（2）和排液真空绝热管接口（3）均为双层管壁中通式结构，所述的低温流体金属进液管（20）的进液端伸入该进液真空绝热管接口（2），所述的低温流体金属出液管（21）的出液端伸入该排液真空绝热管接口（3）；

所述的透明节流试件管（6）材质为耐低温型有机玻璃，自来流方向依次分为进液段（17）、节流段（18）和出液段（19），所述的低温流体金属进液管（20）的芯管插入进液段（17）内一定深度并在内端面处设置四氟垫圈（13），所述的低温流体金属出液管（21）的芯管插入出液段（19）内一定深度并在内端面处设置四氟垫圈（13）；

在所述的进液段（17）和出液段（19）还设有嵌入式测温孔（23）与压力测量引压孔（24）。

2.根据权利要求1所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，所述的进液段（17）通过CF法兰（22）与低温流体金属进液管（20）的管芯连接，该CF法兰（22）与进液段（17）中垫入环形四氟垫圈（13）。

3.根据权利要求1所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，所述的低温流体金属进液管（20）、透明节流试件管（6）、金属波纹软管（25）和低温流体金属出液管（21）采用套设连接，各管路连接处外部设有法兰，内部端面采用四氟垫圈。

4.根据权利要求1所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，所述的卡爪连接型盲板法兰（9）和螺栓连接型盲板法兰（10）与所述的真空腔体（1）采用橡胶o型垫圈（11）密封。

5.根据权利要求1所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，所述的金属波纹软管（25）用于补偿温度热变形及实现方便装配。

6.根据权利要求1所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，还包括绝热支架（7）位于所述的透明节流试件管（6）的两端、金属波纹软管（25）的两端以及热沉（8）处，该绝热支架（7）材料为导热系数低的环氧树脂，采用接触面积小的中空结构。

7.根据权利要求1所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，还包括热沉（8），该热沉（8）与所述的低温流体金属出液管（21）搭接。

8.根据权利要求7所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，所述的热沉（8）由紫铜制成，侧面通过铜质编制。

9.根据权利要求1所述的用于低温流体节流和定量测量的可视化实验舱，其特征在于，所述的用于内部传感器件引线穿舱的接口一（14）和接口二（15）上安装有KF盲板的引线穿舱件（4），该引线穿舱件（4）为在KF法兰盲板上开口，引线穿入其中的气密航空接插件。

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